§ 137. Сила Лоренца и полярные сияния.

Сила Лоренца, вызывающая отклонение электронов, движущихся в магнитных полях, от их первоначального пути, проявляется во многих явлениях природы, которые только с помощью этих сил и удается объяснить. Одно из самых красивых и величественных явлений такого рода – это полярные сияния. В местах земного шара, расположенных в сравнительно высоких широтах, преимущественно за северным или южным полярным кругом, во время долгой полярной ночи часто наблюдают на небе явление поразительной красоты: на небе вдруг вспыхивает свечение разнообразной окраски и формы. Иногда оно имеет вид однородной дуги, неподвижной или пульсирующей, иногда как бы состоит из множества лучей разной длины, которые переливаются, свиваются в виде лент или драпировок и т. п. (рис. 252). Цвет этого свечения желтовато-зеленый, красный, серо-фиолетовый. Вот в каких словах описывал это прекрасное явление природы великий русский ученый, мыслитель и поэт М. В. Ломоносов, который был одним из первых исследователей этого явления и оставил нам ряд превосходных зарисовок его:

«Но где ж, натура, твой закон?
С полночных стран грядет заря!
Не Солнце ль ставит там свой трон?
Не льдисты ль мещут огнь моря?
Се хладный пламень нас покрыл!
Се в ночь на Землю день вступил!»

Долгое время природа и происхождение полярных сияний оставались совершенно загадочными, и только сравнительно недавно удалось подойти к решению этой загадки.

Рис. 252. Полярное сияние (одна из его форм)

Прежде всего удалось установить, на какой высоте вспыхивают полярные сияния. Для этого фотографировали одно и то же сияние из двух точек, отстоящих одна от другой на несколько десятков километров. По этим фотографиям удалось выяснить, что полярные сияния возникают на высоте от 80 до 1000 км над Землей, чаще всего на высоте около 100 км. В дальнейшем было выяснено, что полярные сияния представляют собой свечение разреженных газов земной атмосферы, до известной степени сходное с тем свечением, которое наблюдается в разрядных трубках (§ 100).

Подмечена очень интересная связь между полярными сияниями и рядом других явлений. Полярные сияния не всегда появляются одинаково часто. В одни годы их бывает меньше, в другие больше. Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через. 11,5 года. В течение каждого такого промежутка число полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, чтобы через 11,5 года снова достичь максимума.

При наблюдении поверхности Солнца уже давно были замечены на его диске неправильной формы темные пятна, часто изменяющие свой вид и положение на солнечном диске. Оказалось, что число и общая площадь этих пятен изменяются от года к году не случайно, а периодически, с тем же периодом в 11,5 года. При этом в годы максимума солнечных пятен или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, достигает максимума и число полярных сияний, а по мере уменьшения числа пятен ослабевают и полярные сияния. Такой же ход имеет и число магнитных бурь (§131), которое также достигает максимума в годы наибольшей солнечной активности. В самые последние годы удалось с несомненностью установить такого же характера связь между солнечной активностью (числом пятен) и условиями распространения, радиоволн в верхних слоях атмосферы. Вопрос приобрел, таким образом, помимо чисто научного интереса, также и важное практическое значение.

Сопоставляя эти факты, норвежский ученый Биркеланд высказал предположение, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в окружающее пространство потоки заряженных частиц – электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, они заставляют светиться составляющие ее газы, подобно тому как они светятся под влиянием ударов электронов в разрядной трубке. Эти же электроны оказывают влияние на магнитное поле Земли и на условия распространения радиоволн вблизи земной поверхности.

Но если это так, то почему полярные сияния наблюдаются только в высоких широтах, т. е. в местностях, не очень удаленных от земных полюсов? Ведь солнечные лучи освещают всю Землю. На этот вопрос ответил другой норвежец, Штермер. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. Здесь на них действует сила Лоренца, отклоняющая их от первоначального прямого пути. Штермер произвел сложные математические вычисления и рассчитал пути этих электронов в магнитном поле Земли. Он показал, что, действительно, заряженные частицы, отклоняемые земным магнитным полем, могут попадать только в приполярные области земного шара.

Эта теория, основанная на учете действия силы Лоренца, отклоняющей заряженные частицы, которые движутся в магнитном поле Земли, хорошо согласуется с большим числом известных из опыта фактов и является в настоящее время общепринятой, хотя в самое последнее время и выяснился ряд трудностей в количественном объяснении с этой точки зрения всей совокупности явлений.